1. Классификация электронных устройств

Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и пе­редачи сигналов управления подразделяются на два класса: ана­логовые (непрерывные) и дискретные (прерывистые).

Аналоговые электронные устройства предназначены для прие­ма, преобразования и передачи электрического сигнала, изменяю­щегося по закону непрерывной (аналоговой) функции. В аналого­вом электронном устройстве (АЭУ) каждому конкретному значе­нию реальной физической величины на входе датчика соответ­ствует однозначное, вполне определенное значение выбранного электрического параметра постоянного или переменного тока. Это может быть напряжение или ток на участке электрической цепи, его частота, фаза и т. п. Допустим, отклонение маятника l от по­ложения равновесия характеризуется зависимостью, показанной на рис. 1.1. а. Тогда в АЭУ, например, напряжение, поставленное в соответствие этому отклонению, в общем случае будет изме­няться так, как показано на рис. 1.1,б.

Очевидно, что как сама физическая величина, в данном случае отклонение маятника, так и ее электрический эквивалент, прини­мая бесконечное число значений, могут быть определены в любой произвольный момент времени и изменяются в одном и том же масштабе времени. Важно подчеркнуть, что электрический экви­валент несет в себе полную информацию о реальном процессе, хотя в общем случае моменты, когда реальная величина принимает не­которое значение и когда появляется ее электрический эквивалент, могут не совпадать, т. е. между этими моментами может существо­вать некоторая задержка t₃.

Рис. 1.1. Пример соответствия физической величины аналоговому электрическому сигналу. Зависимость отклонения l маятника от положения равновесия во времени (а) и электрический сигнал и(l), поставленный в соответствие этому отклонению (б)

Рис. 1.2. Потенциометрический датчик перемещения (а) и зависимость его относительного выходного напряжения Uвых/E от положения движка х/Х (б)

Достоинствами АЭУ являются: теоретически максимально до­стижимые точность и быстродействие; простота устройства.

Недостатками АЭУ являются: низкая помехоустойчивость и нестабильность параметров, обусловленные сильной зависимостью свойств устройства от внешних дестабилизирующих воздействий, например температуры, времени (старение элементов), действия внешних полей и т. п.; большие искажения при передаче на значительные расстояния; трудность долговременного хранения результата; низкая энергетическая эффективность.

Примером устройства аналогового отображения информации является обычный потенциометр (рис. 1.2), преобразующий линейное перемещение х в напряжение U_выx.

Дискретные электронные устройства (ДЭУ) предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, по­лученных путем квантования ' по времени и/или уровню исходной аналоговой функции x(t). Поэтому действующие в них сигналы пропорциональны конечному числу выбранных по определенному закону значений реальной физической величины, отображаемой в виде различных параметров импульсов или перепадов напряжения или тока. Поскольку обычно интересуются не только конкретными значениями x(t), но и ее изменением, для передачи информации используют последовательности импульсов или перепадов. Основные параметры импульсных последовательностей, используемых в Д ЭУ для отображения информации, определим на примере импульсов и перепадов напряжения, показанных на рис. 1.3, а, б

Рис.1.3 Основные параметры импульсов (а) и перепадов (б) напряжения

U_m — амплитуда импульса или перепада: наибольшее откло­нение напряжения от исходного, установившегося значения U_o;

t_ф, t_сп—длительности фронта и спада импульса - временной интервал между моментами, в которые мгновенное напряжение и удовлетворяет условию 0,1U_m<H<0,9U_m.

Для перепадов аналогичные параметры называют длительностью фронта положительной t_ф⁺ и отрицательной t_ф^-;

t_и - длительность импульса - временной интервал между моментами на соседних интервалах t_ф и t_сп, для которых u = 0,5U_m;

Т - период следования импульсов - временной интервал между моментами на соседних интервалах t_ф или t_сп, Для которых u = 0,5U_m.

Величина f=1/T называется частотой следования импульсов;

t_n = T—t_и — длительность паузы между импульсами;

K₃ = t_и/T — коэффициент заполнения импульсов, y = T/t_и — скважность импульсов.

Отметим, что периодически повторяющиеся перепады напря­жения с производными du/dt различных знаков (положительные du/dt>0 и отрицательные du/dt<0 перепады) образуют импульсы прямоугольной формы. В частном случае, когда положительные и отрицательные перепады следуют через равные промежутки вре­мени, напряжение прямоугольной формы называют меандром.

В ДЭУ хотя каждому значению реальной физической вели­чины и ставится в соответствие вполне определенный параметр импульсного сигнала, но так как информация о ее изменении мо­жет быть получена только при сравнении двух импульсов, полу­чение такой информации растягивается во времени. Следова­тельно, строго говоря, для получения полной информации о конеч­ном во времени физическом процессе необходимо бесконечное число импульсов, т. е. временные масштабы протекания физиче­ского процесса и его отображения при помощи импульсов не со­впадают. Поэтому в ДЭУ используется только часть информации о реальной физической величине, т. е. процесс представления ин­формации сопряжен с частичной ее потерей.

К достоинствам ДЭУ следует отнести следующее.

1. В дискретных устройствах импульсная Р_и и средняя Р_ср мощ­ности связаны соотношением

Р_и = γР_СР.

Как видно, при большой скважности (γ→) можно получить существенное превышение мощности в импульсе над средним ее значением. Это (по сравнению с аналоговыми устройствами) спо­собствует улучшению массогабаритных показателей отдельных элементов ДЭУ.

2. В ДЭУ усилительные приборы (транзисторы) используют в специфическом режиме ключа (включено — выключено), при ко­тором мощность, рассеиваемая в них, минимальна. Это повышает коэффициент использования усилительного прибора

К_ис=Р_н/Р_к,max

где Р_н = 1_нU_н — полезная мощность нагрузочного устройства; Р_к,mах = I_нU_п2 — мощность, рассеиваемая в выходной цепи усили­тельного прибора; U_н и U_п2 — напряжения нагрузочного устройства и выходной цепи усилительного прибора.

Как видно из приведенной формулы, при U_H>U_n2 мощность на­грузки может многократно превышать мощность, рассеиваемую в самом усилительном приборе. Это позволяет для управления боль­шой мощностью применять в ДЭУ маломощные усилительные при­боры. В транзисторных устройствах кратность превышения мощ­ности может достигать 10 ... 20.

3. Свойства дискретных устройств в меньшей степени зависят от нестабильности параметров используемых элементов. Это объясняется как меньшим тепловыделением, что, снижая перегрев, сужает реальный диапазон рабочих температур, так и работой полупроводниковых приборов в режиме ключа.

4. Помехоустойчивость ДЭУ выше чем АЭУ, так как при пере­ даче импульсов сокращается время, в течение которого помеха может повлиять на передаваемый сигнал.

Рис. 1.4. Квантование аналогового сигнала x(t) (а) по времени (б) и уровню (в)

5. ДЭУ характеризуются применением однотипных элементов в каналах обработки, передачи и хранения информации. В связи с этим облегчается их изготовление средствами интегральной технологии, обеспечивающей повышенную надежность, малогабаритность, дешевизну и т. п.

Указанные достоинства ДЭУ обусловили их широкое использование во многих областях как силовой, так и информационной электроники (радиолокации, телевидении, вычислительной технике), метрологии и т. п.

В свою очередь, по типу квантования сигнала ДЭУ подразде­ляются на три подкласса: импульсные, релейные и цифровые.

Импульсные электронные устройства (ИЭУ) реализуют квантование исходного сигнала x(t) (рис. 1.4, а) по времени и преобразуют его в последовательность импульсов, как правило, неизменной частоты (рис. 1.4,6). В ИЭУ хотя и нарушается непрерывность представления сигналов (информация) во времени, сами значения для выбранных моментов времени точно соответствуют значениям x(t), т. е. непрерывность сигнала по величине сохраняется.

Рис. 1.5. Виды импульсной модуляции:

а- изменение исходной аналоговой величины; б - последовательность амплитудно-модулированных импульсов; в - последовательность широтномодулированных импульсов, г -последовательность фазо-модулированных импульсов

Процесс преобразования исходной аналоговой информации в последовательность импульсов носит название импульсной модуляции. В процессе импульсной модуляции форма импульсов исходной последовательности, как правило, остается неизменной.

На практике наибольшее распространение получили: амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и фазо-импульсная модуляция (ФИМ).

При амплитудно-импульсной модуляции зависимости x(t) (рис. 1.5, а) модулируемым, т. е. изменяемым параметром импульсной последовательности является амплитуда (рис. 1.5,б).

U_m(nT_k)=[x(nT_k)] (1.1)

При ШИМ модулируемым параметром импульсной последова­тельности является их ширина (рис. 1.5, в)

t_и =[x(nT_k)] (1.2)

Для характеристики ШИМ обычно пользуются скважностью γ или коэффициентом заполнения импульса К₃.

При ФИМ моделируемым параметром является расстояние между импульсами, т. е. их фаза относительно исходной последо­вательности (рис. 1.5, г).

Т=[x(nT_k)] (1.3)

На практике часто используется комбинация описанных видов модуляции.

Реализуя в полной мере все достоинства дискретных устройств, ИЭУ уступают аналоговым в точности и быстродействии. К тому же их практическая реализация ввиду наличия импульсного моду­лятора характеризуется большой сложностью.

Релейные электронные устройства (РЭУ) реализуют квантова­ние исходного сигнала x(t) по уровню и преобразуют его в ступенчатую функцию, высота каждой из ступенек которой пропорциональна некоторой наперед заданной величине h (см. рис. 1.4,0). Изменение уровня сигнала происходит в произвольные моменты времени, определяемые только заданными уровнями nh и величиной x(t). Поэтому аналогично с ИЭУ в моменты формирования ступенек сигнал РЭУ точно отражает значение исходной x(t). Следовательно, при дискретизации представления по величине в РЭУ сохраняется непрерывность отображения информации во времени.

Основная область применения РЭУ связана не с преобразованием информации, а с преобразованием энергии, т. е. с силовой электроникой. По сравнению с ИЭУ они, как правило, проще (отсутствует импульсный модулятор) и обладают большим быстродействием.

Цифровые электронные устройства (ЦЭУ) реализуют квантование исходного сигнала x{t) как по времени, так и по величине. Поэтому в фиксированные моменты времени такие сигналы только приближенно соответствуют значениям x(t). Очевидно, чем больше дискретных значений, которые может принимать сигнал, т. е. чем больше уровней дискретизации, тем точнее соответствует дискретный сигнал аналоговому. Однако в любом случае мы имеем дело с конечным числом его значений. Таким образом, в дискретном сигнале нарушена непрерывность представления информации как по величине, так и во времени.

В свою очередь, конечному числу дискретных значений исход­ной физической величины можно поставить в соответствие неко­торое число. Процесс замены дискретных уровней сигнала после­довательностью чисел носит название кодирования, а совокупность полученных чисел называется кодом сигнала. Таким образом, процесс непосредственного преобразования и передачи сигналов можно заменить процессом преобразования и передачи кодов, поставленных в соответствие исходным сигналам.

Устройства, занимающиеся формированием, преобразованием и передачей кодов, поставленных в соответствие реальным значениям физических переменных, называют цифровыми устройствами. Передача кодов, каждый из которых, как правило, представляется некоторой последовательностью однотипных импульсов, требует некоторого времени. Очевидно, что это время больше времени, необходимого для передачи той же информации в импульсной и тем более непрерывной системах. Поэтому при прочих равных условиях количество информации, передаваемой цифровым способом, минимально.

Достоинства ЦЭУ: высокая помехоустойчивость; высокая на­дежность; возможность длительного хранения информации без ее потери; экономическая эффективность, обусловленная высокой технологичностью и повторяемостью устройств; энергетическая эффективность, а также совместимость с интегральной технологией.

Недостатки ЦЭУ: малое быстродействие; малая точность.

Однако меньшее быстродействие цифровых устройств с лихвой окупается возможностью унификации самих цифровых элементов, что позволяет с помощью их большого количества успешно решать вопросы повышения точности и быстродействия ЦЭУ.

Минимально возможный объем, который может занимать ЭУ, в конечном счете определяется количеством теплоты, выделяемой в этом объеме. Поэтому использование дискретных методов обра­ботки информации позволяет реализовать ДЭУ в значительно меньшем объеме, чем в случае аналоговой информации.

Ранее мы отметили, что способность реализации сложных алго­ритмов обработки информации в минимальных объемах с мини­мальными затратами и высокой надежностью работы является основной причиной повсеместного использования электронных устройств. Сказанному в полной мере отвечают цифровые электронные устройства, которые, несмотря на меньшие быстродействие и точность по сравнению с другими рассмотренными типами ЭУ, получают в настоящее время все большее распространение.

В заключение следует отметить, что все современные ЭУ, независимо от типа, являются, как правило, твердотельными устройствами, принцип действия которых основан на протекании электрического тока через полупроводниковые материалы.